Генерация высокоэнергетических $$\gamma$$-фотонов и пар электронов в поляризованных ультраинтенсивных лазерных полях

Свет такой интенсивности, что он порождает материю

Что происходит, когда одно из самых мощных когда‑либо созданных лазерных излучений направляют на крошечный сгусток газа? В этом исследовании физики с помощью суперкомпьютерных моделирований изучают будущее, в котором такие лазеры не только генерируют интенсивные всплески гамма‑лучей — самой высокоэнергетичной формы света — но и создают материю и антиматерию из самого света. Они показывают, что простое скручивание электрического поля лазера по кругу вместо его колебаний туда‑обратно может радикально изменить эффективность производства этих экстремальных частиц и лучей и то, насколько узко они направлены.

Почему важна поляризация света

Современные мощные лазеры достигают интенсивностей, при которых обычные правила взаимодействия света и вещества уступают место странному миру квантовой электродинамики: электроны излучают энергию резкими мощными вспышками, а отдельные фотоны могут превращаться в пары электронов и их античастиц — позитронов. В работе авторы сравнивают два распространённых способа «поляризовать» лазерный свет: линейную поляризацию, когда электрическое поле колеблется в фиксированном направлении, и круговую поляризацию, когда это поле вращается, как стрелка часов, по мере распространения света. Хотя в обоих состояниях содержится одинаковая общая энергия, они по‑разному толкают заряженные частицы, а эти траектории оказываются решающими для яркости и резкости формирующихся пучков излучения и материи.

Виртуальный эксперимент с экстремальными лазерами

Поскольку интересующие интенсивности превышают то, что сегодня рутинно дают много‑петаваттные установки, команда обращается к трёхмерным расчётам методом «частица в ячейке» — к первопринципным численным экспериментам. Они моделируют ультраинтенсивный лазерный импульс, ударяющий по блоку ионизованного водорода с плотностью, выбранной так, чтобы лазер мог пробить в нём канал, но при этом достаточно сильно удерживать электроны. Отслеживая миллиарды вычислительных «суперчастиц» и включая ключевые квантовые процессы — реакцию излучения, при которой электроны теряют энергию, испуская жесткие фотоны, и вариант процесса Брайта–Виллера, когда эти фотоны превращаются в электро‑позитронные пары — моделирование следует за полной цепочкой от энергии лазера до движения плазмы, гамма‑вспышек и, наконец, производства пар.

Формирование пучков света и материи

Симуляции показывают, что круговые поляризованные импульсы направляют электроны по более плавным, спиральным траекториям вдоль самогенерируемых каналов в плазме. Такое устойчивое движение дольше держит электроны в сильных полях и сохраняет их энергию, повышая ключевой параметр, характеризующий «квантовость» их взаимодействия со светом. В результате в случае круговой поляризации рождаются гамма‑лучи, которые и более энергоёмки — достигая диапазона миллиардов электронвольт — и более сильно коллиматированы по сравнению с лучами от линейно поляризованного импульса. Такая же тенденция наблюдается и для электронов, возникших из фотон‑фотонных взаимодействий: пары, созданные при круговой поляризации, формируют более узкий и более высокоэнергетический пучок, тогда как линейная поляризация даёт более широкое распыление частиц с меньшей энергией, но в большем числе.

Баланс между качеством и количеством

Сравнивая долю энергии лазера, превращающуюся в гамма‑лучи и в вновь созданные электроны, авторы выявляют компромисс, управляемый поляризацией. Круговая поляризация конвертирует немного больше энергии лазера в высокоэнергетические фотоны и фокусирует эту энергию в остронаправленный ультрарелятивистский пучок частиц — идеально для приложений, требующих яркого направленного источника. Линейная поляризация, напротив, генерирует большее общее число пар, несмотря на то, что каждая из них несёт меньшую энергию и выходит под более широким углом. Исследование также проверяет, остаются ли эти выводы справедливыми, когда лазер сталкивается с плазмой под небольшим углом, а не прямо; обнаружены лишь скромные изменения в пиковых энергиях и отсутствие инверсии основных тенденций.

Превращение «скручивания» лазера в элемент управления

Работа демонстрирует, что в области экстремального света то, как вы скручиваете электрическое поле лазера, может быть так же важно, как и сила самого лазера. Кругово поляризованные импульсы действуют как прецизионный инструмент: они вырезают каналы в плазме и запускают узконаправленные струи высокоэнергетических гамма‑лучей и электрон‑позитронных пар, тогда как линейно поляризованные импульсы больше похожи на широкие кисти, порождающие больший, но менее организованный облак новых частиц. По мере того как установки следующего поколения будут повышать интенсивность лазеров до уровней, рассматриваемых здесь, контроль поляризации может стать практическим регулятором для настройки будущих источников гамма‑излучения и антиматерии — с применениями от изучения строения атомных ядер до воспроизведения астрофизических условий в лаборатории.

Цитирование: Agarwal, S., Gupta, D.N. High-energy \(\gamma\)-photons and pair electrons generation in polarized ultraintense laser fields. Sci Rep 16, 11945 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42431-0

Ключевые слова: ультраинтенсивные лазеры, гамма‑излучение, электрон-позитронные пары, поляризация лазера, квантовая электродинамика сильного поля